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Chapitre I. Notions fondamentales, généralités et techniques expérimentales
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CHAPITRE I : Notions fondamentales, généralités et
techniques expérimentales.
Première partie : Généralités et notions fondamentales
1. Introduction :
Les matériaux céramiques sont les matériaux de sy
nthèse, majoritairement
constitués de phases inorganiques à liaisons essentiellement iono-covalentes, non
totalement vitreux et généralement consolidés par frittage à température élevée d’un
« compact » pulvérulent mis dans la forme de l’objet voulu, les poudres de départ étant
fréquemment préparées à partir de roches broyées .
Le terme céramique concerne une large gamme de composés ainsi que des
applications très différentes, ces matériaux ont des propriétés communes en raison de leurs
liaisons essentiellement iono-covalentes :
 température de fusion élevée ;
 grande dureté ;
 absence de ductilité aux basses températures ;
 fragilité, faible ténacité [1].
On peut considérer deux grandes catégories de produits, les céramiques dites
« traditionnelles » et les céramiques dites « nouvelles » ou « techniques ».

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Les céramiques traditionnelles concernent les céramiques destinées au bâtiment
(carreaux, brique, etc.…).
Les céramiques nouvelles : les matériaux appartenant à cette famille sont très variés
car ils comprennent non seulement des céramiques oxydes (Al2O3, ZrO2, etc…) mais aussi
de nombreux composés non-oxydes comme les carbures, nitrures, borures et les
composites de toute nature. En fonction du domaine d’application, on peut distinguer : les
céramiques thermomécaniques, électroniques et ceux pour application diverses (optique,
nucléaire, médecine, etc…).
Dans notre étude, on s’intéresse aux céramiques électroniques .On appelle
céramiques électroniques : les céramiques diélectriques (condensateurs), piézoélectriques
(transducteurs appliqués à la conversion électromécaniques), magnétiques (elle concernent
essentiellement les différents ferrites), supraconductrices et électrooptique. Les principaux
composés utilisés sont le titanate de baryum BaTiO3, le titanate de plomb (PT) et le
zirconotitanate de plomb PbZrxTi1-xO3 (PZT) [2].
2. Définitions :
2-1. La piézoélectricité :
Les matériaux piézoélectriques sont des matériaux dans lesquels les centres de
gravité des charges positives et des charges négatives ne coïncident plus lorsqu’on soumet
le matériau à une contrainte qui agit dans une certaine direction cristallographique. Il
s’ensuit une déformation élastique qui induit des charges positives et négatives sur les
faces opposées du cristal. [3]
La piézoélectricité est l’aptitude de certains matériaux cristallins à produire une
charge électrique proportionnelle à la contrainte mécanique qui les déforme. C’est l’effet
piézoélectrique direct et ce phénomène est réversible : l’application d’un champ électrique
externe provoque une déformation mécanique (effet piézoélectrique inverse) [4]. Ces effets
piézoélectriques ne peuvent être observés que sur des corps isolants.

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Par exemple si une plaque piézoélectrique (figure 1) polarisée dans la direction
indiquée par P, porte des électrodes au-dessus de ses deux faces plates, alors un effort de
compression fait entrer un courant transitoire dans le circuit externe et un effort de tension
produit le courant dans le sens opposé (figure 1(a)).
Réciproquement, l’application d’un champ électrique produit une contrainte dans le
cristal, dite une contrainte négative, l’inversion du champ cause une contrainte positive
(figure 1(b)). Les changements de la polarisation qui accompagnent l’effet piézoélectrique
direct se manifestent par l’apparition des charges sur la surface en cristal [5].
Figure 1 : (a) l’effet piézoélectrique direct, (b) l’effet piézoélectrique indirect :(i)
contraction ; (ii) expansion, les lignes discontinues indiquent les dimensions originales
[5].
2-1-1. Les matériaux piézoélectriques :
Les matériaux piézoélectriques présentent un intérêt particulier en raison de la forte
densité d’énergie élastique qu’ils peuvent générer dans un volume réduit et de leur faible
impédance électrique, ce qui permet de faire des actionneurs basse tension fortement

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miniaturisés et des capteurs de micro-déformations très sensibles. Les concepts ont été
validés sur des démonstrateurs divers utilisables dans de nombreux domaines concernant
l’optique, le contrôle de vibration et l’acoustique hautes fréquences.
Les premiers cristaux piézoélectriques connus avaient surtout des propriétés
intéressantes pour faire des oscillateurs, à savoir bien les quartz pour générer des signaux
très stables en fréquences [6], la tourmaline et le sel de seignette ou de rochelle (NaKC2O6,
4H2O).
Des matériaux ont été utilisés, au moins étudiés pour leurs propriétés piézoélectriques. On
distingue essentiellement :
- les cristaux naturellement piézoélectriques (qui appartiennent aux classes non
centrosymétriques :
 Cristaux ioniques tels que : SiO2, AlPO4, AlN, TeO2, Tl3VS4, Bi12GeO12, Tl3TaSe4.
 Cristaux semi-conducteurs tels que CdS, CdSe, AsGa.
-les matériaux ferroélectriques rendus monodomaine par polarisation tels que :
Les cristaux LiTaO3 , LiNbO3, LiIO3 , LiGaO2 et les plastiques polymères non polaires
PVF2 (polyvinylidène difluoride) etc…
- les céramiques PZT [Pb (ZrxTi1-x)O3] [7].
2-2. La ferroélectricité :
Un cristal ferroélectrique possède un moment dipolaire électrique même en
l’absence d’un champ électrique extérieur. Dans l’état ferroélectrique, le centre de gravité
des charges positives du cristal ne coïncide pas avec le centre de gravité des charges
négatives. La représentation de la polarisation en fonction du champ électrique dans l’état
ferroélectrique montre l’apparition d’une boucle d’hystérésis : la polarisation croit jusqu'à
ce que les dipôles soient alignés dans l’ensemble du cristal et elle persiste lors de la
réduction du champ jusqu’à zéro. La polarisation ne diminue que lorsqu’un champ opposé
est appliqué (Figure 2) [8, 9].
Un cristal dans un état diélectrique normal n’a pas d’hystérésis notable lorsque le
champ est augmenté et inversé lentement. Dans certains cristaux, le moment dipolaire

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ferroélectrique peut rester inchangé sous l’action du champ électrique maximal qu’il est
possible d’appliquer sans causer de dommage au cristal.
La ferroélectricité disparaît habituellement au-dessus d’une certaine température
appelée température de transition au dessus de laquelle le cristal est dans un état
paraélectrique. Le terme paraélectrique suggère une analogie avec le paramagnétisme et
implique une décroissance rapide de la constante diélectrique lorsque la température
augmente [8].
Figure 2 : Cycle d’hystérésis p= f (E) d’un corps ferroélectrique
2-2-1. Polarisation Diélectrique :
En présence d’un champ électrique ξ, une force s’impose à un dipôle électrique et
l’oriente selon le champ appliqué, comme le montre la figure 3.
La polarisation désigne l’alignement de moments dipolaires atomiques ou
moléculaires, permanents ou induits, sur un champ électrique externe appliqué [10].
ξ ξ
a) b)
Force
Force
Figure 3 : a) Forces imposées à un dipôle par un champ électrique. b) Alignement du
dipôle sur le champ électrique [10].
+q
-q -q
+q